Журнал «Знание-сила» - Знание - сила, 1998 № 05(851)

Наличие обширных пустот и уплотнений во Вселенной пока не поддается теоретическому объяснению. Из наблюдений реликтового излучения следует, что сразу после начала расширения вещество во Вселенной было распределено чрезвычайно однородно. Чтобы за десять — пятнадцать миллиардов лет, прошедших с того времени, под действием гравитации из маленьких начальных неоднородностей успели сформироваться гигантские перепады плотности, вещества во Вселенной должно быть очень много, гораздо больше, чем показывают астрономические наблюдения. Эта загадка стимулирует поиски скрытой массы.

Итак, Вселенная однородна лишь в среднем — на масштабах, превышающих шестьсот миллионов световых лет. По мере уменьшения масштабов начинает проявляться ее структура. Вначале становятся заметны сверхскопления галактик размером порядка трехсот миллионов световых лет, образующие относительно тонкие стены, или, как чаще их называют, «блины», толщиной около тридцати — шестидесяти миллионов световых лет. Внутри них вырисовываются скопления галактик размером порядка тридцати миллионов световых лет, а еще глубже — сами галактики. Размеры галактик заключены в широких пределах: самые маленькие, карликовые гада ктики мснсс тридцати тысяч световых лет в поперечнике и массой порядка сто миллионов масс Солнца. Размеры же самых крупных галактик достигают многих сотен тысяч световых лет, а их массы — тысячи миллиардов масс Солнца. Внутри галактик вещество тоже сильно структурировано: спиральные рукава, шаровые звездные скопления, отдельные гвезды и, наконец, планеты.

В задачу космологии входит лишь описание крупномасштабной структуры Вселенной — объектов размерами тридцать миллионов световых лет и более. К ним относятся скопления и сверхскопления галактик. Космологи считают, что иерархическая структура Вселенной возникла в результате роста первоначально малых возмущений плотности под действием гравитации. Вопрос о происхождении исходных возмущений выходит за рамки нашей статьи. Но отметим, что эти возмущения обязаны своим появлением физическим процессам на самой ранней сталии эволюции Вселенной. Поэтому их масса и размер определяются фундаментальными законами физики микромира.

На начальной стадии роста возмущений плотности Вселенную заполняет высокотемпературная плазма из электронов, протонов, небольшой примеси нейтронов, фотонов, и, как теперь выясняется, из некоторого невидимого, «скрытого» вещества. Носитель скрытой массы Вселенной пока неизвестен, хотя наиболее вероятным кандидатом на эту роль считаются гипотетические элементарные частицы аксионы, предсказанные физиками как необходимый элемент при объяснении сохранения четности в ядерных взаимодействиях. Пока аксионы нс обнаружены в эксперименте.

Картина эволюции возмущений плотности в многокомпонентной плазме весьма сложна. Расширяющаяся Вселенная сначала так мала, что возмущения плотности своим размером превосходят так называемый горизонт — размер причинно связанных областей мира: «голова» возмущения еще не знает о существовании своего «хвоста». Но в некоторый момент размер Вселенной становится так велик, что охватывает возмущение целиком и оно начинает жить, как обыкновенное колебание плотности газа, то есть как звуковая волна. Правда, со временем, как любой звук, волна плотности затухает. Но, с другой стороны, гравитация вызывает рост уплотнений. В борьбе этих сил рождается структура Вселенной.

Возмущения в невидимом веществе растут быстрее, поскольку оно почти не взаимодействуете другими формами материи. В обычном же веществе, состоящем из протонов и электронов, продолжают действовать механизмы затухания, поэтому возмущения плотности в нем почти не растут. Однако через несколько миллионов лет после начала расширения Вселенной обычное вещество охлаждается настолько, что из ионизованной плазмы становится нейтральным газом. Давление в нем падает, упругость уменьшается, и оно готово подчиниться гравитационной силе. К этому моменту в невидимом веществе возмущения успели вырасти в сотни раз, в нем образовалась структура, и обычное вещество просто «падает» в уже сформировавшиеся потенциальные «ямы». После этого невидимое и обычное вещество уже не расстаются: доступное нашему взору обычное вещество всегда обрисовывает структуры, в основном сложенные невидимой материей.

Чем ближе к нашей эпохе, тем сильнее перепады плотности в соседних областях Вселенной. Хотя в целом Вселенная расширяется и ее средняя плотность падает, в местах с пониженной плотностью она падает быстрее, а более плотные области расширяются медленнее — контраст плотности возрастает. В некоторых местах сила тяготения вообще останавливает расширение и меняет его на сжатие.

Из-за случайных движений вещества сжатие не может происходить равномерно по всем направлениям: в каком-нибудь из них оно всегда происходит быстрее. Поэтому в первую очередь образуются тонкие слои повышенной плотности — космологи называют их «блинами», а между ними — пустоты. Затем сжатие этих двухмерных блинов продолжается вдоль одного из их направлений, и внутри блинов образуются одномерные структуры, подобные нитям, после этого сжатие идет по единственному оставшемуся направлению, и вдоль нитей образуются комки вещества высокой плотности — будущие скопления галактик. Но «блины» и «нити» не исчезают бесследно: они еще долго просматриваются в структуре Вселенной и сравнительно легко выявляются при подсчете галактик.

Быстро продвигаются астрономы в глубь Вселенной. Полгода назад мы рассказали о самой далекой из открытых галактик. Но теперь и она уже не чемпион: Марин Франкс с коллегами обнаружил при помощи десятиметрового телескопа имени Кека галактику, на двадцать процентов более дальнюю — родившуюся свыше восьми миллиардов лет назад. Похоже, что наша машина времени стремительно приближается к остановке «Рождение галактик». Прибыв туда, мы, вероятно, разгадаем тайну невидимой материи. Но и это еще не станет конечным пунктом. Пора будет вплотную взяться за решение двух главных проблем — как родилась Вселенная и каково ее будущее. Можно сколько угодно спорить, строить гипотезы и писать уравнения, но астрономы знают, что лишь новые наблюдения дадут окончательные ответы на эти вопросы. •

Авторитетный французский кинолог Сильвия Фрере считает, что не только для человека, но и дли собаки отнюдь не безразлично, поп каким созвездием она появилась на свет. На основании латы ее рождения можно судить об определенных чертах характера.